[科普中國]-一波未平一波又起，CRISPR基因編輯將何去何從？

作者：莫軒

編輯：Yuki

這兩天，“基因編輯嬰兒”在中國誕生的爆炸性新聞，在全球范圍內(nèi)掀起了巨大爭議。這個(gè)事件也讓以CRISPR為代表的基因編輯技術(shù)，又一次被推上風(fēng)口浪尖。

其實(shí)，就在不久前，CRISPR技術(shù)的專利歸屬問題才剛剛塵埃落定——美國聯(lián)邦法院判定麻省理工學(xué)院和哈佛大學(xué)獲得CRISPR專利，結(jié)束了關(guān)于這場長達(dá)5年的爭論。

作為目前最有效的基因編輯技術(shù)，CRISPR技術(shù)到底經(jīng)歷了哪些發(fā)展與爭議，它所代表的基因編輯技術(shù)又將走向何方呢？

（圖片來源：圖蟲創(chuàng)意）

CRISPR的誕生

事情要從1987年說起。這一年，日本科學(xué)家第一次在大腸桿菌的基因組中發(fā)現(xiàn)了重復(fù)性回文序列，然而，當(dāng)時(shí)并未引起諸位學(xué)者的注意。

兩年以后，西班牙阿利坎特大學(xué)的博士研究生Francisco Mojica在做自己的博士課題時(shí)，在一種名為 H.volcanii 的古細(xì)菌中也發(fā)現(xiàn)了重復(fù)性回文序列。他查了文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)兩年前的日本科學(xué)家也發(fā)現(xiàn)了類似的回文結(jié)構(gòu)，通過比較發(fā)現(xiàn)，兩者并未有任何同源序列。

雖然不知道這些回文結(jié)構(gòu)有什么功能，但他覺得非常有意思，并將其命名為Clustered regularly interspaced short palindromic repeats [1] ，簡稱CRISPR，翻譯過來大致是“ 簇狀規(guī)律型間隔回文序列 ”。1992年，他發(fā)表了一篇文章，描述了這個(gè)回文結(jié)構(gòu)，并順拿到博士學(xué)位，到牛津大學(xué)做了兩年的博士后。博士后出站以后，他回聘到阿利坎特大學(xué)，重拾了他博士時(shí)期發(fā)現(xiàn)的CRISPR的研究工作。

鉆研了十余年，到2003年，他終于弄明白這個(gè)回文結(jié)構(gòu)的生物學(xué)功能—— 古細(xì)菌的適應(yīng)性免疫 [3]。 為此，他和他的課題團(tuán)隊(duì)成員開了一個(gè)盛大的party慶祝，并且覺得這個(gè)工作一定能發(fā)表在《科學(xué)》、《自然》等世界頂級期刊上。派對結(jié)束后的第二天，Mojica就開始撰寫論文，投稿到這些頂級雜志。

這些期刊的編輯們雖然對這一工作表示了足夠的興趣，但是指出Mojica的工作并沒有闡釋機(jī)理，而只是在做假設(shè)，就拒稿了。在長達(dá)兩年的反復(fù)拒稿以后，文章最終發(fā)表在了《分子進(jìn)化》（Molecular Evolution）上。

與此同時(shí)，法國學(xué)者Bolotin在研究釀膿鏈球菌 Streptococcus thermophilus 時(shí)發(fā)現(xiàn)了與Mojica研究組相似的CRISPR序列，以及一個(gè)新的基因，用來編碼一個(gè)具有核酸酶功能的蛋白，也就是后來的Cas9，并預(yù)測CRISPR的功能大約是與適應(yīng)性免疫相關(guān) [4] 。

這篇文章提交的時(shí)間大約比Mojica文章被接受的時(shí)間早兩個(gè)月。

在接下來的四五年間，世界各地的科學(xué)家們似乎忽然有了指路明燈一般，很快搞清楚了CRISPR序列的功能，以及細(xì)菌適應(yīng)性免疫的工作機(jī)制—— Cas蛋白具有核酸酶的功能，能夠剪切DNA，而CRISPR能夠轉(zhuǎn)錄成RNA引導(dǎo)Cas蛋白對基因組中特定的DNA序列進(jìn)行剪切 。

（釀膿鏈球菌（ Streptococcus thermophilus ）中的CRISPR-Cas9系統(tǒng)。圖源：參考文獻(xiàn)[2]）

到了2012年，Jennifer Doudna發(fā)文將CRISPR系統(tǒng)用于大腸桿菌基因組的編輯。2013年，F(xiàn)eng Zhang（張鋒）發(fā)文報(bào)道了CRISPR技術(shù)用于動(dòng)物細(xì)胞基因組的編輯工作。

正是這兩個(gè)研究組，在接下來幾年，為了誰最先發(fā)明CRISPR技術(shù)，展開了激烈的爭論。雖然，從論文發(fā)表時(shí)間上說，確實(shí)是Doudna領(lǐng)先一步，但是，張鋒2014年就已經(jīng)申請到了CRISPR技術(shù)的發(fā)明專利。

（張鋒申請的CRISPR技術(shù)專利。圖源：patents.justia.com）

科學(xué)之爭or利益之爭？

雖然外行人會抱有“看熱鬧，不嫌事兒大”的心態(tài)，但是對科學(xué)家們來說，誰做了什么工作，做了多少工作，都心里有數(shù)。

那么爭議來自哪里呢？是科學(xué)家自身嗎？

我們先來看一些事件——

就在專利之爭塵埃落定的前一年，UCB的學(xué)生社團(tuán)邀請張鋒去UCB做一個(gè)關(guān)于CRISPR技術(shù)的報(bào)告。而在此之前，一位UCB的學(xué)生就已經(jīng)在推特和臉書上發(fā)文，號召大家通過點(diǎn)贊的方式支持Jennifer Doudna，反對張鋒。

一周后，學(xué)院的一位資深教授特地找她談話：你不要這樣搞事情，張鋒并不是壞人，他也沒有做任何壞事。

不止是這位教授，在許多科學(xué)家們眼中，張鋒是一位非常靦腆的人，他并不想?yún)⑴c糾紛，只是想把科研做好。這次他之所以接受UCB的邀請，也是因?yàn)樗磥磉@只是一個(gè)正常的科學(xué)交流。對“CRISPR技術(shù)專利之爭”這一問題并沒有發(fā)表過多評論，只是介紹了一些他最初的工作。

其實(shí)，早在2014年，張鋒獲得CRISPR技術(shù)專利許可以后，就將這項(xiàng)技術(shù)以及實(shí)驗(yàn)室所有的相關(guān)實(shí)驗(yàn)材料信息公之于眾，免費(fèi)供全世界學(xué)者和機(jī)構(gòu)科研之用。

2017年底，張鋒當(dāng)選為美國科學(xué)院院士，也可以反映出科學(xué)界對張鋒的貢獻(xiàn)是非常認(rèn)可的。

所以，從這些層面上來說， CRISPR技術(shù)專利之爭，并不是科學(xué)之爭 。爭論的主角也并非這三個(gè)研究機(jī)構(gòu)，而是與這三個(gè)機(jī)構(gòu)所有關(guān)的諸多大型生化公司。

因?yàn)榧夹g(shù)的應(yīng)用，離不開產(chǎn)業(yè)化，MIT和UCB為代表的研究機(jī)構(gòu)只負(fù)責(zé)科學(xué)研究，成果轉(zhuǎn)化必須依靠對應(yīng)的大公司。所以， 所謂的專利之爭，其實(shí)是各個(gè)公司的產(chǎn)品和市場之爭。

（以MIT，UCB為代表的三家機(jī)構(gòu)，以及專利許可授權(quán)以后，各大公司成果轉(zhuǎn)化專利。圖源：Nature）

CRISPR技術(shù)——一把“未打磨好的利刃”？

美國聯(lián)邦法院的判決，算是暫時(shí)平息了這場紛爭?？墒侨藗儾唤獑柫耍珻RISPR技術(shù)到底有哪些用處？為何導(dǎo)致三家機(jī)構(gòu)不惜耗巨資打官司呢？

原因說起來也很簡單——這項(xiàng)技術(shù)是目前為止 最為有效的基因編輯技術(shù) 。已經(jīng)普遍應(yīng)用到醫(yī)療、農(nóng)業(yè)等諸多方面。

雖說它是目前最行之有效的技術(shù)，但并不能代表著百分之百的可靠。

作為一把基因編輯的利刃，CRISPR目前存在一個(gè)重要的缺陷—— 脫靶 。簡單的說就是，這把刀雖然很鋒利，但是，經(jīng)?？冲e(cuò)地方。

一項(xiàng)關(guān)于人類胚胎細(xì)胞的修飾研究工作中，CRISPR技術(shù)的成功率僅為14.3%——這么低的精度在醫(yī)學(xué)上是不可能被接受的。從這點(diǎn)上說，現(xiàn)行的CRISPR技術(shù)僅僅是一把未打磨好的利刃。

CRISPR技術(shù)將走向何方

基因編輯技術(shù)無疑將成為未來一項(xiàng)非常重要的技術(shù)。目前為止， CRISPR技術(shù)主要應(yīng)用在農(nóng)業(yè)和醫(yī)學(xué)方面，并取得一些成果 。比如農(nóng)業(yè)方面，這項(xiàng)技術(shù)主要用來改造植物基因組，用以制造耐旱或者抗病的株系。如今已經(jīng)成功應(yīng)用到大豆，玉米，煙草，番茄，小麥等農(nóng)作物上，很多成果轉(zhuǎn)化也會在未來逐一呈現(xiàn) [5] 。

臨床上，這項(xiàng)技術(shù)被用于一些遺傳疾病的篩選、預(yù)防和治療。一些治療方案在動(dòng)物疾病模型中已經(jīng)取得很好的效果。此外，還能改造人體免疫細(xì)胞——T細(xì)胞，讓它們能夠特異的靶向癌細(xì)胞，達(dá)到癌癥治療的目的。

CRISPR的研究還不止于此，一項(xiàng)最新的研究利用CRISPR技術(shù)創(chuàng)造出可編程的核酸成像技術(shù)，能夠跳過了轉(zhuǎn)錄、翻譯兩個(gè)步驟，直接觀察到蛋白的表達(dá)。另外一項(xiàng)研究中，研究人員將綠色熒光蛋白融合在dCas核酸酶上，并在末尾加了一段特殊優(yōu)化的RNA序列，實(shí)時(shí)觀察到端粒上的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)以及細(xì)胞內(nèi)的基因編碼過程 [6,7] 。

（CRISPR-Cas核酸成像技術(shù)：正進(jìn)行有絲分裂的海拉細(xì)胞中的一個(gè)基因的亞細(xì)胞定位。）

此外，目前研究最多的是Cas9。而Cas蛋白家族還有一大家子成員，如Cas12a, Cas13, Cas10等 [8,9] 。很多成員的功能很奇特，比如Cas13具有RNA酶的功能可以對RNA進(jìn)行識別和編輯。現(xiàn)在人們已經(jīng)可以利用Cas13發(fā)展RNA成像技術(shù)以及快速檢測薩卡病毒的單鏈RNA。這無疑對于疾病的預(yù)防極為重要。

（Cas蛋白家族。圖源：參考文獻(xiàn)[1]）

總之，雖然CRISPR-Cas技術(shù)目前仍存在許多問題，但并不能掩蓋其巨大的應(yīng)用價(jià)值。這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)為人類的社會科技的發(fā)展打開了一扇窗，“寶劍鋒自磨礪出”，我們期待CRISPR這把利刃，能在眾多科研人員的努力下，被不斷打磨和完善，使之為人類創(chuàng)造更多的價(jià)值。

不過至少在現(xiàn)階段，它還不能成為解鎖人類基因技能的“萬能鑰匙”，一切操作仍需謹(jǐn)慎——雖然技術(shù)本無正邪之分，但使用技術(shù)的人，將決定它最終的走向。

作者名片

參考文獻(xiàn)：

1. Knott, G. J. & Doudna, J. A. CRISPR-Cas guides the future of genetic engineering. Science 361, 866 (2018).

2. Lander, Eric S. The Heroes of CRISPR. Cell 164, 18-28, doi:https://doi.org/10.1016/j.cell.2015.12.041 (2016).

3 . Shan, Q. et al. Targeted genome modification of crop plants using a CRISPR-Cas system. Nature Biotechnology 31, 686, doi:10.1038/nbt.2650

https://www.nature.com/articles/nbt.2650#supplementary-information (2013).

4 .Chen, B. et al. Dynamic Imaging of Genomic Loci in Living Human Cells by an Optimized CRISPR/Cas System. Cell 155, 1479-1491, doi:10.1016/j.cell.2013.12.001 (2013).

5.Knight, S. C., Tjian, R. & Doudna, J. A. Genomes in Focus: Development and Applications of CRISPR-Cas9 Imaging Technologies. Angewandte Chemie International Edition 57, 4329-4337, doi:doi:10.1002/anie.201709201 (2018).

6.Gootenberg, J. S. et al. Multiplexed and portable nucleic acid detection platform with Cas13, Cas12a, and Csm6. Science 360, 439 (2018).

9.Myhrvold, C. et al. Field-deployable viral diagnostics using CRISPR-Cas13. Science 360, 444 (2018).